JP5607877B2 - トルク測定方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルク測定装置に関し、より詳細には、低サンプリングレートの制御器とともに使用されるトルク測定装置に関する。

農業機械のような動力供給装置においては、エンジンの動力は農業機械のいくつかの局面へと伝達され、その動力の伝達はしばしば回転シャフトによって行われる。エンジンによって供給されるトルクの伝達は、しばしば、負荷にかかるトルクを増大させるために利用することができる伝動システムを通して行われる。負荷に動力を供給するエンジンの能力は、負荷が大きくなりすぎると、シャフトの能力またはそれ以降の被駆動体の能力を超える場合がある。駆動プレートから被駆動プレートへのトルクの伝達を媒介する保持ばねを備えた駆動プレートを通してトルクを測定することが知られている。駆動プレートと被駆動プレートとを連結するばねを通してトルクが伝達されるときの２つのプレートの位置差は、駆動プレート／被駆動プレート間の構成を通してかけられているトルクを計算するために利用される。プレートを通してトルクが伝達されるのにつれて、ばねは圧縮され、被駆動プレートから突き出た指は被駆動プレート上の基準に対して移動する。この差はセンサによって検出することができ、その情報が農業機械の運転者のための情報として表示システムに送られる。この種の測定装置の一例は、駆動プレートから被駆動プレートに伝達されるエンジンの回転数およびトルクを測定するための装置を含む米国特許第５５９６１５３号に記載されている。

この技術において必要とされるのは、農業機械上に用意されている計算能力を用いて容易かつ安価に組み込むことができる費用効果に優れた測定システムである。
米国特許第５５９６１５３号

本発明は、農業車両の少なくとも１つの駆動コンポーネントにおいてトルクを測定するために低サンプリングレートの制御器を使用するトルク測定装置およびその方法に関する。

本発明の１つの形態は、動力供給装置と負荷とを持つ動力駆動式の農耕用装置と連関するトルク測定装置によって構成される。このトルク測定装置は、回転シャフト、第１の検出可能な特徴、第２の検出可能な特徴、複数のセンサ、および電気制御器を含む。回転シャフトは、長手方向軸、第１の端部および第２の端部を持つ。第１の端部は動力供給装置に連結され、第２の端部は負荷に連結される。第１および第２の検出可能な特徴は、それぞれシャフト上の第１の長手方向位置および第２の長手方向位置と連関する。複数のセンサは第１のセンサおよび第２のセンサを含む。第１のセンサは第１の検出可能な特徴と近接し、第２のセンサは第２の検出可能な特徴と近接する。回転シャフトが長手方向軸のまわりを回転するのにつれて、第１のセンサは第１の信号を生成し、第２のセンサは第２の信号を生成する。電気制御器はサンプリングレートで第１の信号および第２の信号をサンプリングする。第１の信号は第１の周波数を持ち、サンプリングレートは第１の周波数の２倍未満である。電気制御器は、第１の信号および第２の信号を用いて回転シャフトにおけるトルクを表すトルク量を計算する。

まず、図面、とりわけ図１〜３を参照すると、トラクタ１０としても知られている農耕用車両１０が図示されている。トラクタ１０は、負荷１６として捉えることができる車輪１４に動力を供給するエンジン／トランスミッションシステム１２を備える。エンジン／トランスミッションシステム１２は、その動力がトラクタ１０各部の機械的負荷に対して、さらに、伝動シャフトを連結することで、その他の農業機具（図示せず）に対して分配される動力供給装置１２として捉えることができる。説明のため、また、理解を得やすくするため、車輪１４は負荷１６と見なすことができるが、さらに、負荷１６は、エンジン／トランスミッションシステム１２によって駆動される任意の機械的負荷であることができるものと理解されるべきである。

図２および３の概略図は、シャフト１８を通して負荷１６に機械的動力を伝える動力供給源１２を備えるトルク測定システム４０または４２の２つの実施形態をそれぞれ図示したものである。トルクは、動力供給源１２によって供給され、シャフト１８によって伝達される。２つの実施形態に示されるように、歯車２０、２２、２４、および２６が配置されるが、図２の実施形態では、歯車２０および２２だけが使用される。歯車２０、２２、２４、および２６は、本明細書では本発明の説明の便宜上そのように記載されているものであって、検出可能な特徴として捉えられるべきものであり、必ずしも歯車である必要はない。また、検出可能な特徴２０、２２、２４、および２６は、例えば、シャフト１８沿いの個々の長手方向位置と連関した光源または磁気源であることもできる。

図２では、センサ２８および３０がそれぞれ歯車２０および２２と連関するように配設されている。図３では、センサ３２および３４をそれぞれ歯車２４および２６と追加的に連関させている。センサ２８、３０、３２、および３４は、歯車２０、２２、２４、および２６と、対応するセンサ２８、３０、３２、および３４との相互作用によって生成される信号の受信のために制御器３６と通信可能に接続される。

動力供給源１２からシャフト１８を通してトルクが負荷１６に供給されると、シャフト１８は長手方向軸３８のまわりを回転し、それとともに歯車２０および２２を回転させる。負荷１６によって負荷が増し、動力供給源１２から追加的な動力が供給されると、シャフト１８は長手方向軸３８に対してたわみ、それによってセンサ２８および３０からの信号に変化がもたらされると、それがシャフト１８の検出可能なたわみとなり、それが測定され、シャフト１８を通して供給されているトルクの計算にシャフト１８の剛性が用いられる。計算は制御器３６によって行われるが、その制御器３６は、わかりやすくするために、トラクタ１０に付随する制御器／コンピュータであり、その種の制御器に固有の比較的低いサンプリングレートを持つ。制御器３６は様々なシステムを制御するために使用され、トラクタ１０内で表示を行うものであり、通常は図２および３に図示されるようなトルク測定だけの専用ではない。典型的には、制御器３６はトラクタ１０で他の機能のために使用されているものであるが、発明者らは独立した制御器３６も想定していることが理解される必要がある。

シャフト１８のような駆動系コンポーネントにおけるトルク量の測定は、ここでは代表的なシャフト１８およびそれによって駆動される機器として図示され、ここでは負荷１６として表されている駆動系を保護しながら、トルク量が可能な限り生産性の高いものであることができるように、エンジンへの燃料供給システムの調整やトラクタ１０のトランスミッションにおける調整を行うことを可能にするものである。そうして、様々な駆動系コンポーネントにおいて費用効果に優れた形でトルクを測定できるようにすることで、パワーテークオフ（ＰＴＯ）やトラクタ１０の車軸のような様々なコンポーネントにトルクを供給しつつ、被駆動コンポーネントのそれぞれでトルクを監視しながら、エンジンをより高い出力レベルで動作させることができる。

トランスミッションの変速も、地面またはその他の被駆動コンポーネントにどれだけの動力が供給されているかがわかることによって改善され、それによって変速のタイミングおよび最適なギア比の選択が最適化される。ＰＴＯおよび／または液圧装置が使用される場合、制御器３６は、各被駆動コンポーネントによって消費される動力レベルに基づいて変速アルゴリズムを変更することができるように、この情報を含めることができる。また、特定の被駆動コンポーネントに供給されるエンジントルクがわかり、さらには記録されることは、保証判定にも役立つ可能性がある。例えば、エンジン出力を高めるために使用される認定外の電源ボックスを使用者が設置することで被駆動コンポーネントが損傷する事態が起こりうるが、これは使用者の側の責任であるとの評価を与えることができる可能性がある。かつては、シャーボルトまたはその他の装置が使用され、負荷が大きくなりすぎると、被駆動コンポーネントの他の部位に対する損傷を防ぐために破断するようになっていた。こうした保護は、有効ではあるものの、運転を再開するためにはシャーボルトまたは破断した要素を交換しなければならないことから、望ましくない休止時間を生じることになる。本発明は、各種シャフト１８を通して伝達されるトルクの監視および制限によって被駆動コンポーネントの損傷が回避されるように、各種コンポーネントに供給されるトルクからの情報を利用できるようにする。

シャフトのトルクは、ひずみゲージや構造音波など、様々な技法によって測定することができるが、これらの技法は、シャフトから信号を得るためにスリップリングまたはテレメトリを必要とし、本質的にロバスト性を備えたシステムではなく、オフロード車両に適したものとは言えない。磁歪法や渦流法はロバストであり、コストも下がるが、元の機器の製造用途からすれば高価すぎる。

次に、さらに図４を参照すると、トルク測定システム４０または４２の要素を使用する方法１００が示されている。わかりやすくするため、トルク測定システム４０について説明するが、それに付随するすべての属性および要素はトルク測定システム４２にも等しく当てはまる。歯車２０および２２は多数の歯を有しており、その歯がその動きにつれて磁場を変化させると、その変化をセンサ２８および３０が検出する。センサ２８、３０、３２、および３４は、磁気源を有することができる磁束感応装置を持つ。センサ２８および３０は、歯車２０および２２の歯の鉄素材が横切ることによって引き起こされる磁場の変化を測定する。歯車２０および２２の歯がセンサ２８および３０をそれぞれ横切ると、２つの信号が生成され、それが制御器３６に送られる。制御器３６は、センサ２８および３０によって検出される歯通過周波数の２倍未満のサンプリングレートを持ち、それに伴って信号はエイリアス化される。典型的な適用形態では、制御器３６のサンプリングレートは歯通過周波数よりもはるかに低い。制御器３６は、周波数でほぼ相関しているが、シャフト１８にかかるトルクに連関した位相変化を伴った２つの信号として捉えることができる信号をセンサ２８および３０から受け取る。制御器３６は、方法１００のステップ１０２のように、２つの歯車の少なくとも一方の周波数を計算する。制御器３６は、最良の信号対雑音比が得られるように使用サンプリングレートをステップ１０４で決定する。既に指摘したように、２つの信号はそれぞれ歯車２０および２２の歯の通過を表すパルス列である信号であり、それによってステップ１０６で２つのパルス列信号を得る。ステップ１０８で、２つのパルス列のそれぞれについてフーリエ係数が計算され、ステップ１１０でその係数を使って２つの信号の相対位相が計算される。次いで、ステップ１１２に図示するように、２つの信号の相対位相は無負荷時の位相差と比較され、相対位相のその差にシャフト１８の剛性が掛け合わされることでトルクを得る。無負荷時の位相差は、設定または校正手順の一部として決定され、負荷をかけることなく、あるいは所定の負荷をかけてシャフト１８を回転させて決定する。

ステップ１０２でそれぞれのパルス列について決定した周波数と一致するフーリエ級数の項を計算し、１つの係数にもう１つの係数の複素共役を掛け合わせることによって、シャフト１８の長手方向軸３８沿いに測定した２つの位置の相対位相が決定される。この方法の利点は、この方法が、限られたデータサンプリングレートの既存のトラクタ制御器と、２つの磁気センサ２８および３０のみとを使用し、それによってロバスト性のある低廉なトルク測定システム４０を実現することにある。

このトルク測定のエイリアス化の方法がどのように機能するかを以下に説明する。まず、２つのパルス列の位相シフトがわかっていてトルク計算を行う方法を取り上げ、続いて、位相シフトを計算するための２つの方法を示す。第１の方法は内積を使うもので、理解しやすいであろう。第２の方法は、伝統的な離散的フーリエ変換の方法であり、周波数解析を行う場合にしばしば見られるものにより近いであろう。その上で、シャフト１８の速度が、アルゴリズムが位相差を決定できない無位相速度にあるときにどうなるかについての議論と、低サンプリングレートの制御器を使用する場合に固有のものであるそうした状況に対する本発明による解決策のいくつかとを示す。

ねじり負荷のかかったシャフト１８のたわみはΘ＝ＴＬ／ＪＧ
ただし、Θ＝たわみ角［ラジアン］
Ｔ＝トルク
Ｌ＝シャフト長
Ｊ＝極慣性モーメント
Ｇ＝シャフト１８の剛性率
シャフトの剛性ＫはＴ／Θ＝ＪＧ／Ｌであり、これは所与のシャフトについて定数である。温度によるある程度の交番が想定されるが、温度センサを使用して上記のシャフト剛性の計算を変更することが可能であることも了解される。

シャフト１８は、長さＬで隔てられた歯車２０および２２を備えている。シャフト１８が十分な速度で回転しているときには、歯車２０とセンサ２８の間、および歯車２２とセンサ３０の間で、それぞれの相互作用によって１つずつの２つの正弦波形が生成され、ｘ_１（ｔ）とｘ_２（ｔ）によって表される２つの信号を生じる。一般方程式は、ｘ_ｉ（ｔ）＝ｘ_ｉｓｉｎ（２πｆｔ−Φ_ｉ）である。
ただし、ｘ_ｉ＝正弦曲線の振幅
ｆ＝歯通過周波数［Ｈｚ］
Φ_ｉ＝位相［ラジアン］
ｆ＝ＺΩ
ただし、Ｚ＝歯車の歯数
Ω＝シャフト速度［Ｈｚ］
歯車２０および２２は、磁気ピックアップ２８および３０が全体に正弦波形の信号を生成するように設計される。さらに、歯車２０および２２は共通の歯数を持っており、シャフト１８に負荷がかけられていないとき、パルス列の相対位相Φ_０＝（Φ_２−Φ_１）は一定である。トルクによってシャフト１８がねじられると、Φ_０＝（Φ_２−Φ_１）はそれに比例して変化する。シャフト１８が歯車の歯１つの円周ピッチ１つ分そっくりねじられると、Θ＝２π／Ｚとなるが、これは磁気ピックアップの波形に２πの位相シフトが起きてΦ−Φ_０＝２πとなることを意味する。関係式Θ＝（Φ−Φ_０）／Ｚと（Φ−Φ_０）／ＺΘ＝ＴＬＺ／ＪＧを解いてトルクを求めると、Ｔ＝（ＪＧ／ＬＺ）（Φ−Φ_０）を、または、より一般的には、剛性Ｋの任意の弾性部材についてＴ＝（Ｋ／Ｚ）（Φ−Φ_０）を得る。

制御器３６は、ステップ１０２で磁気ピックアップ２８および３０を読み取り、歯車２０および２２の歯通過周波数を計算する。制御器３６は、時間領域で相対位相を評価するのに十分な速さでアナログ信号を取得することはできない。例えば、歯車２０および２２の歯通過周波数が１，５００Ｈｚであるとすると、時間領域で妥当性をもって位相を決定するためには、制御器３６は１５，０００Ｈｚ超でサンプリングを行う必要がある。周波数領域で作業することによって、要求されるサンプリングレートは帯域幅の２倍となる。アナログ信号の周波数は歯通過周波数を中心とし、そこからあまり変わらないため、２００Ｈｚというような低い水準でサンプリングを成し遂げることができる。この信号は大幅にエイリアス化されるが（７．５本の歯を通過する毎にサンプル１個）、信号の周波数がわかっているため、信号は完全に再構成することができる。

以下に、位相を決定するための２つの方法を説明する。第１の方法は内積法と呼ばれるものであり、第２の方法は離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）の単一の線を計算する。どちらの方法も、歯通過周波数ＺΩは既知であるものと仮定し、それぞれのパルス列ｘ_ｉ（ｎ）のＮ個のサンプルがサンプリングレートｆ_ｓで取得されたものと仮定する。

内積法は、ベクトルｘ_ｉ（ｎ）と周波数ＺΩの正弦曲線の内積を計算する。逆正接関数（ここではＡＴＡＮ２）のような三角関数を用いて位相を求める。

（フーリエ係数と呼ばれるもの）
Ｘ_ｉは複素数であり、それぞれのパルス列の位相は次式で与えられる。
Φ_ｉ＝ＡＴＡＮ２［ｌｍ（Ｘ_ｉ），Ｒｅ（Ｘ_ｉ）］
２つの信号の間の相対位相は次式で与えられる。

次に、離散的フーリエ変換法の使用について説明する。この方法は、パルス列を最もよく表すＤＦＴの単一の線を計算する。方程式を単純にするため、新たに３つの変数を取り上げる。最初の変数は周波数比γ＝ＺΩ／ｆ_ｓである。２番目の変数ｋは整数で、歯通過周波数がサンプリング周波数の何倍かに関係し、着目する周波数が０から（１／２）ｆ_ｓまでの範囲で正または負の周波数のいずれであるかを特定するために用いられる。３番目の変数ｍは０からＮ／２までの間の整数であり、計算でＤＦＴのどの線に着目するかを特定する。以下に記す数行は、信号の間の相対位相を計算するための疑似コードである。
ｉｆ ＦＬＯＯＲ（γ）＝ＣＥＩＬ（γ^−１／２）
コメント：ｋｆ_ｓ＜ＺΩ＜（ｋ＋１／２）ｆ_ｓ
ｋ＝ＦＬＯＯＲ（γ）
ｍ＝（γ−ｋ）Ｎ
ｅｌｓｅ
コメント：（ｋ−１／２）ｆ_ｓ＜ＺΩ＜ｋｆ_ｓ
ｋ＝ＣＥＩＬ（γ）
ｍ＝（ｋ−γ）Ｎ
ｅｎｄ ｉｆ

前述した無位相速度に関しては、エイリアス化された信号を用いてトルクを計算する低サンプリングレート技法に固有なこととして、位相が不明の有限個の予測可能な速度が存在する。最初の総和の式を見てみると、２Ｚπ／ｆ_ｓが整数のとき、ｅ^{−ｊ２πＺΩ（ｎ／ｆｓ）}は、すべてのｎに関して実数であり、位相情報は得られない。この条件は、２番目の総和の式でｍ＝０またはＮ／２の場合とまったく同じである。歯車の歯数およびサンプリングレートは固定であると考えられるため、位相落ちの間隔はΔΩ＝ｆ_ｓ／２Ｚ［Ｈｚ］＝３０ｆ_ｓ／Ｚ［ｒｐｍ］となる。

この問題を回避するため、指定された速度域では、別のサンプリングレートを選ぶか、または歯車２０および２２とは異なる歯数を持つ第２の対の歯車２４および２６からパルス列を観測することを選ぶことができる。２組の歯車における歯数の選択は、問題となるゾーンが重なることのないように注意して行う。図３は、潜在する位相の解明のために、２対の歯車２０および２２と２４および２６を、センサ２８、３０、３２、および３４とあわせ持つシャフトの概略図を示したものである。

この問題を解決するためのもう１つの方法は、問題となるゾーンが重ならないように注意して選択した少なくとも２つの異なるサンプリングレートを使用するというものである。これはステップ１０４に例示されており、このステップでは、よりよい信号対雑音比が得られるようにサンプリングレートが選択される。例えば、サンプリングレートが２００Ｈｚのとき、シャフト１８の回転が無位相速度となる回転速度になると、制御器が、１７５Ｈｚなど、別のサンプリング周波数に切り替わることで、システムがトルク測定を行えるようにする。

発明者が企図する信号処理に関する追加的な考え方は、制御器３６によって時間取得データに適用される窓機能を利用するというもので、窓は所定のインターバルの外ではゼロ値とされる。例えば、所定のインターバルの中では一定、それ以外ではゼロである関数は、グラフ表現したときのその形状から、方形窓と呼ばれる。時間取得データに窓関数を掛け合わせると、その積は所定のインターバルの外ではゼロとなる。方形窓法の利用に加え、ハミング関数またはハン関数のような形状の窓を窓として利用することができる。これらの関数は、信号の解明を助け、測定の精度を高めるものとして、有用である。

好ましい実施形態について説明したが、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から外れることなく、様々な変更が可能であることは明らかになるであろう。

本発明の装置および方法を使用するトラクタの側面図である。 図１のトラクタに使用される本発明によるトルク測定装置の１つの実施形態の概略図である。 図１のトラクタに使用される本発明によるトルク測定装置のもう１つの実施形態の概略図である。 図１のトラクタの図２または３の装置に用いられる方法の１つの実施形態の概略図である。

１０ トラクタ
１２ 動力供給源
１４ 車輪
１６ 負荷
１８ シャフト
２０ 歯車
２２ 歯車
２４ 歯車
２６ 歯車
２８ センサ
３０ センサ
３２ センサ
３４ センサ
３６ 制御器
３８ 長手方向軸

Claims (7)

1. トルク測定装置を使用してトルクを測定する方法であって、
   長手方向軸線と、動力供給装置に接続されている第１の端部と、負荷に接続されている第２の端部とを有する回転シャフトを提供するステップと、
   前記回転シャフトの第１の長手方向の位置と連関する第１の検出可能な特徴を提供するステップと、
   前記回転シャフトの第２の長手方向の位置と連関する第２の検出可能な特徴を提供するステップと、
   前記第１の検出可能な特徴と近接する第１のセンサと、前記第２の検出可能な特徴と近接する第２のセンサとを含む複数のセンサを提供するステップと、
   前記回転シャフトが前記長手方向軸線のまわりを回転するのにつれて、前記第１のセンサを介して第１の信号を生成するステップと、
   前記回転シャフトが前記長手方向軸線のまわりを回転するのにつれて、前記第２のセンサを介して第２の信号を生成するステップと、
   前記第１の信号および前記第２の信号がエイリアス化するように、制御装置を介して前記第１の信号および前記第２の信号をサンプリングするステップと、
   前記制御装置を使用し、内積法と離散的フーリエ変換法のうちの一つを使用して前記第１の信号の第１フーリエ係数と前記第２の信号の第２フーリエ係数とを計算するステップと、
   前記第１フーリエ係数と第２フーリエ係数とを使用して、前記制御装置を介して、第１信号と第２信号との間の相対位相を計算するステップと、
   前記制御装置を使用し、前記相対位相を使用して、前記シャフトのトルクを計算するステップと
   を備える方法。
2. 前記第１の検出可能な特徴と前記第２の検出可能な特徴が前記回転シャフトに取り付けられ、そこに回転できるように固定されたほぼ同様の歯車である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のセンサと第２のセンサが磁束感応装置である、請求項２に記載の方法。
4. 前記回転シャフトの第３の長手方向の位置と連関する第３の検出可能な特徴を提供するステップと、
   前記回転シャフトの第４の長手方向の位置と連関する第４の検出可能な特徴を提供するステップと、
   前記第３の検出可能な特徴と近接する第３のセンサと、前記第４の検出可能な特徴と近接する第４のセンサとを提供するステップであって、前記回転シャフトが前記長手方向軸線のまわりを回転するのにつれて、前記第３のセンサは第３の信号を生成し、前記第４のセンサは第４の信号を生成する、第３、第４のセンサを提供するステップとを更に有する、請求項２に記載の方法。
5. 前記第３と第４の検出可能な特徴が、ほぼ同様の歯車であり、各歯車が前記回転シャフトのまわりに取り付けられ、そこに回転できるように固定された複数の歯を有し、
   前記第３と第４の検出可能な特徴の複数の歯の数が、前記第１と第２の検出可能な特徴の前記複数の歯の数と異なり、
   前記第１と第２の検出可能な特徴の複数の歯の数により、前記回転シャフトが前記第１と第２の検出可能な特徴に係る前記歯車の歯１つの円周ピッチ１つ分そっくりねじられるときの前記回転シャフトの回転速度である第１組の無位相速度になり、前記第３と第４の検出可能な特徴の複数の歯の数により、前記回転シャフトが前記第３と第４の検出可能な特徴に係る前記歯車の歯１つの円周ピッチ１つ分そっくりねじられるときの前記回転シャフトの回転速度である第２組の無位相速度になり、前記第１組と第２組の無位相速度が重ならない、請求項４に記載の方法。
6. 前記サンプリングするステップは、前記第１組の無位相速度になる第１のサンプリング速度で、前記第２組の無位相速度になる第２のサンプリング速度でサンプリングし、前記第１組と第２組の無位相速度は重ならない、請求項１に記載の方法。
7. 前記制御装置が作業機械と連携しており、前記制御装置がトルク測定だけの専用ではない、請求項１に記載の方法。

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